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Guía 01: Carga eléctrica, fuerza eléctrica y campo eléctrico
Esta guía presenta ejercicios y problemas sobre cargas eléctricas puntuales. Aquí calcularás la fuerza eléctrica entre cargas y el campo eléctrico que generan.
En un campo eléctrico externo las cargas eléctricas sienten la acción de la fuerza eléctrica. En la imagen, las flechas grises indican la magnitud y dirección del campo eléctrico mientras que las flechas de color indican la fuerza eléctrica sobre las cargas .
Cuando Benjamin Franklin propuso la convención de signos de la carga eléctrica, frotó con seda una barra de vidrio y denominó carga positiva a la carga del vidrio. Explique durante el frotamiento
La barra de vidrio ¿Perdió, ganó o conservó electrones?
La seda ¿Perdió, ganó o conservó protones?
La carga eléctrica negativa fue definida por B. Franklin como la carga del caucho al ser frotada con piel. Si se acerca plástico frotado con piel a caucho cargado se observa que se repelen.
Explique qué tipo de carga que adquiere el plástico al ser frotado con piel.
Si acercamos vidrio, previamente frotado con seda, al plástico frotado con piel ¿Se atraen o se repelen?
Considere un cuerpo metálico A cargado negativamente y un cuerpo metálico B inicialmente neutro. Si ambos cuerpos son puestos en contacto entre si y luego se separan ¿Con qué carga queda cada cuerpo?
Fuerza Eléctrica
Dos cargas eléctricas puntuales se encuentran en reposo en el vacío. Determinar la magnitud de la fuerza que actúa entre ellas si:
Las cargas son q1=1,0×10−6C y q2=2,5×10−6C y están separadas 5,0cm.
Las cargas son q1=−1,25×10−9C y q2=2,00×10−5C y están separadas 10,0cm.
En la sal binaria cloruro de sodio (sal común), el ión Na+ tiene una carga positiva de magnitud 1,602×10−19C. Por otro lado, el ión Cl− posee la misma carga que el Na+, pero obviamente con signo contrario. La distancia entre los iones en condiciones normales es de 3,876×10−8cm. Calcule la fuerza de atracción.
En el modelo atómico de Bohr, los electrones siguen ciertas órbitas permitidas alrededor del núcleo para valores discretos de la energía y el momentum angular. En el caso del hidrógeno neutro H, formado por un protón y un electrón, el radio de la órbita que describe el electrón en su estado de mínima energía y mínimo momentum angular, conocido como radio de Bohr, es r0=52,9pm (ver indicación 1).
Si la carga del electrón es −e=−1,602×10−19C, la del protón e=1,602×10−19C, la masa del electrón es me−=9,109×10−31kg y la del protón mp+=1,673×10−27kg. Obtenga
La magnitud de la fuerza de gravitación entre el protón y el electrón en el átomo de H.
La magnitud de la fuerza de electrostática entre el protón y el electrón en el átomo de H.
¿Cuál de la dos fuerzas es más intensa? ¿Cuántas veces más intensa?
Indicación 1: Un picómetro es la billónesima parte de un metro, es decir
1pm=1×10−12m
(En español, un billón es un millón de millones. No confundir con el billón anglosajón igual a mil millones).
Indicación 2: La Ley de Gravitación Universal, enunciada por Sir Isaac Newton, establece que dos partículas de masa M y m separadas una distancia r se atraen con una fuerza cuya intensidad es dada por
Fg=GMmr2
donde G es la constante de gravitación universal cuyo valor es G=6,674×10−11Nm2kg2.
En el origen de un sistema coordenado se encuentra fija una carga q1=4,0μC. Una segunda carga q2=1,0μC se encuentra fija en la posición →r2=1,0ˆım. Determine la posición sobre el eje x en que se debe ubicar una tercera carga q=2,0μC de modo que quede en equilibrio bajo la acción simultánea de las otras dos cargas.
Tres cargas puntuales se encuentran fijas como se muestra en la figura.
Las magnitudes de las cargas son q1=20nC, q2=−50nC y q3=100nC y las magnitudes de sus posiciones son r1=50cm, r2=30cm y r3=20cm, respectivamente. Determine
El vector posición de cada carga medido en m.
La fuerza eléctrica ejercida sobre q1 por las otras cargas.
La fuerza eléctrica ejercida sobre q2 por las otras cargas.
La fuerza eléctrica ejercida sobre una carga q=−40nC ubicada en →r=(0,50ˆı+0,30ˆk)m por las otras tres cargas.
Campo Eléctrico
En las esquinas del cuadrado de la figura se encuentran cuatro cargas eléctricas fijas.
Suponga que q=11,8nC y a=5,2cm.
Elija un sistema de referencia apropiado para las cargas.
Determine las posiciones de las cargas en su sistema de referencia.
Calcule el campo eléctrico en el centro del cuadrado.
En la figura, la distancia de separación entre las cargas es d.
En un sistema de referencia apropiado, encuentre el punto (o los puntos) en donde el campo eléctrico es cero.
A partir de los siguientes campos eléctricos, determine dónde se ubican y qué signo tienen las cargas
Esboce el campo eléctrico producido por las siguientes configuraciones de carga eléctrica en un sistema de referencia apropiado
Una carga positiva +q en →r+q=2ˆȷ y una carga negativa −q en →r−q=−2ˆȷ.
Cuatro cargas positivas +q en →r=0, →r=10ˆȷ, →r=10ˆı+10ˆȷ y →r=10ˆı.
Dos cargas positivas +Q en →r=−5ˆı, →r=5ˆı y una carga negativa −2Q en →r=5ˆȷ.
Considere una carga positiva +q en →r+q=a/2ˆȷ y una carga negativa −q en →r−q=−a/2ˆȷ, con a una longitud medida en metros. Detemine el campo eléctrico en
En un punto arbitrario del eje x.
En un punto arbitrario del eje y.
Respuestas
Carga Eléctrica
Perdió electrones.
Conservó protones.
La misma del caucho, negativa.
Se atraen.
Ambos quedan negativos.
Fuerza Eléctrica
Fe=9,0N.
Fe=22,5mN.
Fe=1,536nN
Fg=3,56×10−47N.
Fe=8,32×10−8N.
La fuerza eléctrica es 39 ordenes de magnitud más intensa que la fuerza gravitacional.
Eje x hacia la derecha y eje y hacia arriba con origen en −q
→r−q=0, →r+2q=aˆı, →r−2q=aˆı+aˆȷ, →r+q=aˆȷ.
→E=111ˆȷkN/C.
A una distancia 2d a la izquierda de +4q.
Una carga positiva.
Una carga negativa.
Una carga positiva abajo y una carga negativa arriba, de la misma magnitud.
Una carga positiva a la izquierda y una carga negativa al centro, de la misma magnitud. Un tercera carga positiva a la derecha, de mayor magnitud que las otras.
En el eje x (y=0)
→E(x)=−14πϵ0aq(x2+a24)3/2ˆȷ.
En el eje y (x=0)
→E(y)=q4πϵ0(1(y−a2)2−1(y+a2)2)ˆȷ.
Con esta guía comenzamos el estudio de la termodinámica introduciendo el Sistema (de unidades) tradicional de los EEUU. abreviado como USCS (las denominadas «unidades inglesas»), revisando los conceptos de volumen y densidad, e introduciendo la presión. Deberás transformar entre distintos sistemas de unidades, resolver algunos problemas sencillos de mécanica en el USCS, calcular volumenes, densidades y presiones. El manómetro es el instrumento que se utiliza para medir la presión. En las imágenes se muestran varios manómetros graduados en varias de las muchas unidades de medida que existen para la presión, entre otras, la unidad SI «pascal» Pa, la unidad USCS «pound(-force) per square inch» psi (libra(-fuerza) por pulgada cuadrada, en inglés), la unidad CGS «bar» bar y las unidades técnicas «kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado» kgf/cm2 y «Meter Wassersäule» mWS (metro columna de agua en alemán). Créditos: leapingllamas...
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Es el turno de investigar las fuentes del campo magnético. En esta guía deberás encontrar el campo magnético que generan distintas configuraciones de corrientes eléctricas. Las cargas eléctricas en movimiento generan magnetismo. El mundo moderno está lleno de aplicaciones de este fenómeno como es el caso de los electroimanes, imanes que se pueden manejar a voluntad según la corriente eléctrica que circula por su embobinado. En la imagen se observa un electroiman casero formado por un embobinado en forma de solenoide (el cable enrrollado), un núcleo de hierro (el clavo) utilizado para amplificar el campo magnético, y una fuente de voltaje (la bateria) que establece la corriente en el embobinado. Creditos: Gina Clifford bajo licencia CC BY-SA 2.0 . Índice Campo Magnético Ley de Biot-Savart Ley de Ampère Respuestas Campo Magnético A partir de los siguientes campos magnéticos, determine dónde se ubican y en qué dirección avanzan las corrientes eléctr...
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